CN114759430A - 一种猫眼外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种猫眼外腔半导体激光器，激光器主结构内部为一圆筒结构，激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜依次同轴安装在圆筒内；微变形调节器中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，小端面粘结于部分反射面的透射面，大端面均匀分布若干径向的安装凸耳，安装凸耳固定在激光器主体结构上；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜；微变形调节器对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态。本发明调节方便，结构稳定，能够在外腔快速扫频时降低压电陶瓷因受拉伸力而产生损伤的风险，也能够降低激光器所处环境温度极速升高时压电陶瓷表面绝缘镀层脱落的风险。

Description

一种猫眼外腔半导体激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种半导体激光器。

背景技术

外腔半导体激光具备具有工作寿命长、输出激光线宽窄、易于调谐等优点，广泛应用于冷原子物理、原子频标、激光通讯等领域，其中以衍射光栅作为反馈和调谐器件是最为常见的一种，主要包括Littrow结构和Littman结构，工作原理如专利CN105811236A所述。在光栅反馈外腔半导体激光器的实现过程中，激光二极管端面和衍射光栅一起构成外腔，压电陶瓷垂直于伸缩方向的一端面与光栅安装座粘结，一根与主结构螺纹配合的螺钉挤压着压电陶瓷垂直于伸缩方向的另一端面，压电陶瓷被挤压于光栅安装座与激光器主结构之间，通过改变压电陶瓷的驱动电压实现对激光器外腔腔长的调谐。这种实现方法存在一个潜在的问题，压电陶瓷承受的挤压强度大于抗压强度时容易被损毁，挤压强度太小时无法实现相应的约束，除非额外使用力矩扳手来紧固螺钉，使压电陶瓷受到合适的预紧力。

随着室外及空间环境科研项目的开展，具有对光路偏移不敏感、机械与热稳定性更好的猫眼外腔半导体激光器，越来越受到研究人员的青睐。常见的猫眼外腔半导体激光器以窄带滤光片为选频器件，以激光二极管端面与粘结在压电陶瓷上的部分反射镜为外腔，其中部分反射镜为反馈器件，通过改变压电陶瓷的工作电压来改变外腔长度进而实现激光频率的调谐。

对于猫眼外腔半导体激光器而言，激光经过猫眼透镜聚焦于部分反射镜，形成外腔后，还需要使用第二准直透镜对激光进行准直，使其以近乎平行光的形式传递给用户使用。如专利(CN101557076B、CN112260056A、CN113036599A等)所述，通常的做法是直接将部分反射镜粘接在压电陶瓷的一个端面，然后将压电陶瓷的另一个端面粘结在结构件上，压电陶瓷的一端基本处于自由状态，之后再将第二准直透镜固定于激光器主体结构上，对输出激光进行准直。

为了提升激光器的调谐范围，通常选用伸长量更大的堆叠型压电陶瓷。由于叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷薄片，通过叠层粘结共烧工艺形成的，这种工艺特点使得其抗压强度远远大于其拉伸强度。当激光器外腔的扫频频率小于10Hz时，压电陶瓷可以正常工作。但当外腔处于快速扫描状态，如以kHz量级的扫频频率获取饱和吸收谱色散信号时，即压电陶瓷材料不断进行双向加速度运动，压电陶瓷既会受到压缩力，也会受到拉伸力。由于堆叠型压电陶瓷的拉伸强度相对较小，因此极易受到损伤，大大降低其工作的可靠性。另外，当激光器所处环境温度快速升高时，压电陶瓷也将因自由膨胀而使表面绝缘镀层脱落，进而面临上电工作时发生短路的风险。

光栅反馈外腔半导体激光器中激光经光栅会反射与衍射，不会透射光栅，在光栅安装座后有充足的空间对压电陶瓷施加预紧力；而猫眼外腔半导体激光器中激光一部分由部分反射镜原路返回，另一部分会透射部分反射镜，再经第二准直透镜进行准直，如果在猫眼外腔半导体激光器中参照光栅反馈外腔半导体激光器使用同样的方法对压电陶瓷施加预紧力，会存在两个问题，一是有可能遮挡透射激光，二是增加第二准直透镜与反射镜之间的距离，使得激光器无法进行小型化设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种猫眼外腔半导体激光器，其调节方便，结构稳定，能够在外腔快速扫频时降低压电陶瓷因受拉伸力而产生损伤的风险，也能够降低激光器所处环境温度极速升高时压电陶瓷表面绝缘镀层脱落的风险。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种猫眼外腔半导体激光器，包括激光器主结构、激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜。

所述的激光器主结构内部为一圆筒结构，所述的激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜依次同轴安装在圆筒内；

所述的压电陶瓷为圆筒状，两端面平行，伸缩方向沿圆筒轴线；

所述的微变形调节器为一体加工而成，两端为平行面，端面之间为线切割镂空的弹性结构，轴向长度小于第二准直透镜的焦距，中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，内径与压电陶瓷内径相同；外径小的端面直接粘结于部分反射面的透射面，小端面外径介于压电陶瓷外径与部分反射镜直径之间，大端面均匀分布若干径向的安装凸耳，安装凸耳固定在激光器主体结构上；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜；所述的微变形调节器对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态。

所述的激光器主结构是在一个基座上同轴设置有两个圆柱结构，圆柱结构沿中轴线开有台阶孔，两个圆柱结构的端面沿轴线依次设定为第一、二、三、四面，第二面为第一准直透镜安装面，第三面为猫眼透镜安装面，第四面与基座端面平齐，为微变形调节器与第二准直透镜安装面，沿周向均匀分布的若干螺纹孔，其中一部分用于固定微变形调节器，另外一部分用于固定第二准直透镜；第三面和第四面之间的台阶孔靠近第三面的内径小于靠近第四面的内径，且大直径段沿径向开有贯通侧壁的开口，台阶孔的台阶面上均分铣出三个压电陶瓷安装凸台，凸台高度相同，用于粘结压电陶瓷。

所述的微变形调节器的最大形变量应为其轴向长度的1/5至1/4，固定后微变形调节器的压缩量应约为最大压缩量的一半，同时通过设计微变形调节器的镂空部分，使其在一半压缩量时对压电陶瓷施加的压强不超过10MPa。

所述的第一准直透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使激光二极管端面与第一准直透镜间的距离等于第一准直透镜的焦距，实现激光的第一次准直。

所述的猫眼透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使猫眼透镜与部分反射镜的反射面间距等于猫眼透镜的焦距，实现外腔反馈。

所述的第二准直透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使第二准直透镜与部分反射镜的反射面间距等于第二准直透镜的焦距，实现猫眼外腔半导体激光器输出激光的准直。

所述的窄带滤光片表面法线与光轴夹角根据波长需求进行调节。

所述的激光器主结构为一体化加工而成，无拼接结构，选用材料为热膨胀系数为10^-6/℃量级或者更低的金属或金属基复合材料。

所述的部分反射镜为圆柱状，两端面分别镀部分反射膜和增透膜，其中增透膜的透过率大于99％，以免形成二次反馈，干扰输出激光的频率。

本发明的有益效果是：

本发明所述的微变形调节器从产生预紧力这一作用来看，与弹簧是一致的。但此外还有另外三个特征，一是要有能够与部分反射镜贴和的平面，使产生的力均匀作用在反射镜上，从而传递到压电陶瓷，二是有特殊设计、均匀分布的安装孔，便于安装至激光器主结构上，三是该微变形调节器为一体加工而成，而不是拼接的，其结构的稳定性更好，配合关系更为简单。

上述方案中，利用激光器主结构上的两外三个螺纹孔安装第二准直透镜，如此，第二准直透镜也是独立的固定于激光器主结构上，不会因压电陶瓷的伸缩产生位置变化，影响输出激光的准直性。

本发明设计的结构根据当前的机械加工精度容易实现，而且人眼能够容易辨识出微变形调节器在固定前后的状态，在装调过程中只需将凸耳上的螺钉完全拧入螺纹孔，安装牢靠即可，无需借助力矩扳手，不用担心微变形调节器产生的力过大而损伤其他器件。

本发明优化设计了一种猫眼外腔半导体激光器，通过对激光器主结构与微变形调节器的特殊设计，既能够在对构成外腔的压电陶瓷施加预载力，有效降低压电陶瓷因受到拉伸力而损伤的风险，提高外腔的扫频频率，又不影响第二准直透镜的独立安装，力学耦合简单。特别是对面向空间环境应用的猫眼外腔半导体激光器而言，因为发射过程中会面临复杂多变的力热环境，该猫眼外腔半导体激光器具有更高的可靠性。

附图说明

图1是本发明的装置结构结构图；

图2是本发明所述激光器的结构示意图；

图3是本发明所述微变形调节器的结构示意图；

图中，1-激光二极管，2-紧固件，3-激光器主结构，4-第一准直透镜，5-窄带滤光片，6-猫眼透镜，7-压电陶瓷，8-部分反射镜，9-微变形调节器，10-第二准直透镜，11-热电致冷片，12-激光器底座，31-安装凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，本发明提供一种猫眼外腔半导体激光器，包括激光器主结构3、紧固件2、激光二极管1、第一准直透镜4、窄带滤光片5、猫眼透镜6、压电陶瓷7、部分反射镜8、微变形调节器9、第二准直透镜10、热电致冷片11和激光器底座12。

对外腔半导体激光器而言，外腔的激光反馈直接影响输出激光的频率与功率，激光的准直则直接影响输出激光的光束质量，因此在激光器设计时需考虑激光的反馈和准直调节的方便性。上述方案中，激光器主结构内部为一圆筒状，将激光二极管、第一准直透镜、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、第二准直透镜等器件(连同相应的安装座)固定在激光器主结构中间的圆槽内，通过控制机械加工精度，可实现各元器件的同轴性，即，无需再沿垂直于光轴调节各器件的位置，只需沿一个维度对各器件进行调节。用于固定激光二极管的紧固件是一个沿径向开通孔、四周为外螺纹的柱状结构。激光二极管固定后，只需调整第一准直透镜安装座的厚度或增减垫片，使激光二极管端面与第一准直透镜间的距离等于第一准直透镜的焦距，即可实现激光的第一次准直。调整猫眼透镜安装座的厚度或增减垫片，使猫眼透镜与部分反射镜的反射面间距等于猫眼透镜的焦距，即可实现外腔反馈。调整第二准直透镜安装座的厚度或增减垫片，使第二准直透镜与部分反射镜的反射面间距等于第二准直透镜的焦距，即可实现猫眼外腔半导体激光器输出激光的准直，操作简单。窄带滤光片表面法线与光轴夹角根据波长需求进行调节。整个安装与调节过程无活动部件，激光器结构相对更加稳定可靠。

上述方案中，如图2所示，激光器主结构为一体化加工而成，无拼接结构，选用材料为热膨胀系数为10^-6/℃量级或者更低的金属或金属基复合材料，如铟钢、铝基碳化硅等。所述的激光器主结构是在一个基座上同轴设置有两个圆柱结构，圆柱结构沿中轴线开有台阶孔，两个圆柱结构的端面沿轴线依次设定为第一、二、三、四面，第二面为第一准直透镜安装面，第三面为猫眼透镜安装面，第四面与基座端面平齐，为微变形调节器与第二准直透镜安装面，沿周向均匀分布的6个螺纹孔，其中三个用于固定微变形调节器，另外三个用于固定第二准直透镜。第三面和第四面之间的台阶孔靠近第三面的内径小于靠近第四面的内径，且大直径段沿径向开有贯通侧壁的开口，台阶孔的台阶面上均分铣出三个压电陶瓷安装凸台，凸台高度相同，用于粘结压电陶瓷。

压电陶瓷为圆筒状，伸缩方向沿圆筒轴线，两端面平行。

部分反射镜为圆柱状，两端面分别镀部分反射膜和增透膜，其中增透膜的透过率大于99％，以免形成二次反馈，干扰输出激光的频率。

上述方案中，微变形调节器为一体加工而成，两端为平行面，端面之间为线切割镂空的弹性结构，轴向长度小于第二准直透镜的焦距，外径小的端面直接粘结于部分反射面的透射面，外径大的端面通过3个螺钉固定于激光器主结构上，中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，内径与压电陶瓷内径相同，小端面外径介于压电陶瓷外径与部分反射镜直径之间，确保微变形调节器形变产生的力能够沿轴向作用于压电陶瓷上，以免作用力过于集中而损伤部分反射镜或者产生侧向拉力而损伤压电陶瓷，大端面均匀分布三个安装凸耳，每个安装凸耳有一个沉头孔，安装在激光器主体结构上后，螺钉不凸出微变形调节器的外包罗；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜，这样能够节省第二准直透镜与部分反射镜之间的距离，小端面使用环氧胶与反射镜的透射面同轴粘结，大端面的安装凸耳与激光器主结构固定连接，微变形调节器的最大形变量应为其轴向长度的1/5至1/4，固定后微变形调节器的压缩量应约为最大压缩量的一半，同时通过合理设计微变形调节器的镂空部分，使其在一半压缩量时对压电陶瓷施加的压强不宜超过10MPa，对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态，而不会因受到拉伸力而产生损伤。根据当前的机械加工精度这样的设计是容易实现的，这样设计的优点在于人眼能够容易辨识出微变形调节器在固定前后的状态，在装调过程中只需将凸耳上的螺钉完全拧入螺纹孔，安装牢靠即可，无需借助力矩扳手，不用担心微变形调节器产生的力过大而损伤其他器件。

本发明所述的微变形调节器从产生预紧力这一作用来看，与弹簧是一致的。但在此还有另外三个特征，一是要有能够与部分反射镜贴和的平面，使产生的力均匀作用在反射镜上，从而传递到压电陶瓷，二是有特殊设计、均匀分布的安装孔，便于安装至激光器主结构上，三是该微变形调节器为一体加工而成，而不是拼接的，其结构的稳定性更好，配合关系更为简单。

上述方案中，利用激光器主结构上的两外三个螺纹孔安装第二准直透镜，如此，第二准直透镜也是独立的固定于激光器主结构上，不会因压电陶瓷的伸缩产生位置变化，影响输出激光的准直性。

本发明的实施例中，使用高度为5mm、内孔径为4mm、四周为M8螺纹的紧固件2将型号为SAL-0705-020的激光二极管1固定于材料为铟钢的激光器主结构3上，通过调整型号为352671-B的第一准直透镜4的安装座厚度，使激光二极管端面与第一准直透镜间的距离等于第一准直透镜的焦距，即可实现激光的第一次准直。

使用环氧胶将反射率为30％的部分反射镜8的反射面粘接于型号为HPSt500/10-5/7的压电陶瓷7的一个端面，其中部分反射镜8与压电陶瓷7保持同轴，然后使用环氧胶将压电陶瓷7的另一端面粘接激光器主结构上的压电陶瓷安装凸台31，依然保持压电陶瓷与激光器主结构3的同轴性。

在微变形调节器9的外径小的端面均匀涂少量环氧胶，将该端面与部分反射面的透射面贴合，外径大的端面通过3个螺钉固定于激光器主结构上，其中微变形调节器9的压缩形变约为其最大形变量的一半。根据微变形调节器9产生的挤压力和压电陶瓷7的横截面积，计算出压电陶瓷7受到的压强约为8MPa。

通过改变猫眼透镜6的安装座厚度，使型号为354260-B的猫眼透镜与部分反射镜8的反射面之间的距离等于猫眼透镜的焦距，即激光聚焦于部分反射镜8的反射面，从而形成猫眼外腔半导体激光器的外腔反馈。

将第二准直透镜10通过激光器主结构3第四平面的另外三个螺纹孔固定于激光器主结构上，通过改变第二准直透镜10的安装座厚度，使型号为354060-B的第二准直透镜与部分反射镜8的反射面之间的距离等于第二准直透镜的焦距，使激光器出射激光为近平行光的高斯光束。

激光器主结构3上激光二极管安装位置的正下方开有尺寸为30mm×15mm的凹槽，将尺寸为30mm×15mm×3.7mm的热电致冷片11通过导热硅胶黏贴于激光器主结构3下方的凹槽内，热电致冷片的制冷面紧贴激光器主结构，根据温度传感器测温，使用热电致冷片对激光二极管1进行精密的温度控制，提升输出激光的频率稳定性。

在热电致冷片的另一面上均匀涂少量导热硅胶，然后将激光器主结构3安装于激光器底座12上，涂有导热硅胶的热电致冷片与激光器底座12接触良好。激光器底座12是该猫眼外腔半导体激光器的固定安装结构，同时也是热电致冷片的热沉，能将其产生的废热散出。

最后将装有窄带滤光片5的安装座固定于激光器主结构3上，使用波长计监测激光器输出激光的波长，通过调整窄带滤光片安装座的角度，使输出激光的波长满足研制需求。

Claims (9)

1.一种猫眼外腔半导体激光器，包括激光器主结构、激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜，其特征在于，所述的激光器主结构内部为一圆筒结构，所述的激光二极管、第一准直透镜、窄带滤光片、猫眼透镜、压电陶瓷、部分反射镜、微变形调节器和第二准直透镜依次同轴安装在圆筒内；所述的压电陶瓷为圆筒状，两端面平行，伸缩方向沿圆筒轴线；所述的微变形调节器为一体加工而成，两端为平行面，端面之间为线切割镂空的弹性结构，轴向长度小于第二准直透镜的焦距，中心沿轴线方向为一通孔，用于透射激光，内径与压电陶瓷内径相同；外径小的端面直接粘结于部分反射面的透射面，小端面外径介于压电陶瓷外径与部分反射镜直径之间，大端面均匀分布若干径向的安装凸耳，安装凸耳固定在激光器主体结构上；凸耳之间的空隙用于安装第二准直透镜；所述的微变形调节器对压电陶瓷施加一个预载力，使压电陶瓷始终处于挤压状态。

2.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的激光器主结构是在一个基座上同轴设置有两个圆柱结构，圆柱结构沿中轴线开有台阶孔，两个圆柱结构的端面沿轴线依次设定为第一、二、三、四面，第二面为第一准直透镜安装面，第三面为猫眼透镜安装面，第四面与基座端面平齐，为微变形调节器与第二准直透镜安装面，沿周向均匀分布的若干螺纹孔，其中一部分用于固定微变形调节器，另外一部分用于固定第二准直透镜；第三面和第四面之间的台阶孔靠近第三面的内径小于靠近第四面的内径，且大直径段沿径向开有贯通侧壁的开口，台阶孔的台阶面上均分铣出三个压电陶瓷安装凸台，凸台高度相同，用于粘结压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的微变形调节器的最大形变量应为其轴向长度的1/5至1/4，固定后微变形调节器的压缩量应约为最大压缩量的一半，同时通过设计微变形调节器的镂空部分，使其在一半压缩量时对压电陶瓷施加的压强不超过10MPa。

4.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的第一准直透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使激光二极管端面与第一准直透镜间的距离等于第一准直透镜的焦距，实现激光的第一次准直。

5.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的猫眼透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使猫眼透镜与部分反射镜的反射面间距等于猫眼透镜的焦距，实现外腔反馈。

6.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的第二准直透镜通过调整安装座的厚度或增减垫片，使第二准直透镜与部分反射镜的反射面间距等于第二准直透镜的焦距，实现猫眼外腔半导体激光器输出激光的准直。

7.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的窄带滤光片表面法线与光轴夹角根据波长需求进行调节。

8.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的激光器主结构为一体化加工而成，无拼接结构，选用材料为热膨胀系数为10^-6/℃量级或者更低的金属或金属基复合材料。

9.根据权利要求1所述的猫眼外腔半导体激光器，其特征在于，所述的部分反射镜为圆柱状，两端面分别镀部分反射膜和增透膜，其中增透膜的透过率大于99％。

Images